馮家塔礦煤層隱蔽火源探測及防治技術研究與應用＊

文 虎 朱興攀 金永飛 劉文永

（1.西安科技大學能源學院，陜西省西安市，710054；2.教育部西部礦井開采及災害防治重點實驗室，陜西省西安市，710054）

馮家塔礦煤層隱蔽火源探測及防治技術研究與應用＊

文 虎1，2朱興攀1，2金永飛1，2劉文永1，2

（1.西安科技大學能源學院，陜西省西安市，710054；2.教育部西部礦井開采及災害防治重點實驗室，陜西省西安市，710054）

通過對馮家塔煤礦1401工作面煤自燃發火規律、淺埋深厚煤層開采特點及隱蔽高溫區識別難度和危害的研究，采用SF6示蹤氣體測漏風技術及測氡法火源高溫點探測技術對其煤自燃高溫區域進行判定，通過CO氣體分析驗證，選定通過鉆孔灌注粉煤灰復合膠體進行滅火，最終達到預期效果，使1401工作面順利回采直至撤架。

隱蔽火源 火源探測 測漏風 防滅火 馮家塔礦

淺埋深厚煤層由于煤層埋藏淺，采動影響后采空區頂部裂隙會直通地表，造成地表塌陷和裂隙較多，容易造成漏風通道，導致采空區漏風嚴重，這為煤氧化提供了良好的供氧環境，引發煤體自燃。然而煤體導熱性差，煤體通過傳導散熱速度很慢，往往在發現煤體暴露面處溫度異常時，內部火勢已形成，這給隱蔽高溫區識別及探測帶來了極大的困難。

此外，煤體自燃時，還會產生大量有毒有害氣體，在井下封閉空間里，有害氣體容易聚集起來，引起井下工作人員中毒；井下屬于半封閉空間，救災人員工作空間、回旋余地小，會給救災人員帶來很大威脅。

1 煤層隱蔽高溫區概況

馮家塔煤礦1401工作面傾斜長260 m，走向長2400 m。工作面開采4＃煤層為自燃煤層且煤塵具有爆炸性危險，瓦斯含量較低，煤層埋深較淺，約70～120 m，煤厚約6 m，為長焰煤，距離鄰近的上部2＃煤層約12 m。1401工作面是4＃煤層的第一個工作面，其頂部的2＃煤層工作面已經開采了3個面，但其正上方的2＃煤層沒有開采。1401工作面與2＃煤層首采面1201面相鄰，兩工作面水平距離為35 m （凈煤柱寬度約25 m）。工作面風量約1200 m3／min，存在地表漏風。

2010年7月，1401工作面推進了約300 m，剛剛超過1201工作面切眼，其回風隅角即出現CO。通過加快工作面推進速度，采空區采用間斷式注氮、進風和回風隅角掛風帳減少采空區漏風及噴灑氣霧阻化劑等手段防火，但CO仍存在。8月以后，由于工作面推進速度減慢，CO濃度繼續增加。8月28日，經現場檢測發現，工作面第137＃～141＃架架后和回風隅角CO均有增加趨勢，回風隅角風帳后CO濃度達0.003%～0.005%，回風隅角CO濃度最高達0.008%。

2 工作面漏風通道檢測及結果分析

由于馮家塔煤礦4＃煤層埋深較淺，工作面采過一定距離后，隨著頂部巖層的塌陷會與地表形成漏風區域，故對其采用SF6示蹤氣體測漏風技術對1401工作面上隅角漏風通道進行探測，采用SF6檢測儀進行檢測，確定漏風通道的位置。

SF6示蹤氣體定性測定漏風的測試方法為：根據礦井通風系統圖分析可能的漏風通道、漏風源、漏風匯；在漏風源中釋放SF6氣體，在漏風匯每隔一定時間用球膽采集氣樣；將采集的氣樣送實驗室分析，由氣相色譜儀測定SF6氣體濃度；根據氣樣分析結果確定漏風通道及漏風風速。

2.1 工作面漏風通道檢測

對馮家塔1201工作面和1401工作面采空區進行漏風檢測。通過在工作面采空區地面裂隙釋放SF6示蹤氣體，在井下回風隅角檢測示蹤氣體的方法檢測地面裂隙與工作面的漏風通道。檢測區域位于1401工作面與1201工作面采空區上方，釋放點分別為D2、D1、C1、B1、N，接收點均為井下1401工作面回風隅角。測點布置圖見圖1。

D2、D1位于1201工作面采空區上方，D2釋放點位于1201工作面開切眼附近對應的地表裂隙處，D1釋放點位于1201采空區距離1401工作面50 m處對應地表裂隙處。

C1、B1、N 3個釋放點位于1401采空區上方，C1釋放點位于距離1401工作面采空區沿回風巷道方向20 m處對應地表裂隙處，B1釋放點位于距離1401工作面中部20 m采空區對應地表裂隙處，N釋放點位于1401工作面后方170 m處對應地表裂隙處。通過GPS衛星定位系統測得各釋放點具體位置及檢測結果見表1。

圖1 漏風檢測測點布置圖

表1 SF6示蹤氣體漏風探測結果表

2.2 檢測結果分析

（1）位于1201工作面采空區上方的D2、D1兩測點的檢測結果表明，1201采空區上方裂隙與1401采空區貫通。

（2）位于1401工作面采空區上方的C1、B1、N 3個釋放點檢測結果表明，1401工作面采空區對應地面裂隙與1401工作面貫通。

（3）井下接收點均檢測到地面釋放的SF6示蹤氣體，并且間隔時間短，充分說明了地面裂隙與1401工作面漏風通道暢通。

3 馮家塔礦隱蔽火源探測及結果分析

3.1 測氡原理

實踐表明，在同樣的地質地層條件下，利用氡氣濃度差異，對井下氡分布與自燃發火關系來確定煤礦火區的大致范圍是科學有效的。當地下煤層發生氧化升溫或自燃時，其周圍及上覆巖層中天然放射性元素氡的析出率增大，由于氡衰變時的離子交換作用使其反應到地表而形成放射性異常現象，該異常可作為反映溫度的信息被檢測得到。

3.2 測氡工藝及流程

探測儀器選用CD-1α杯測氡儀，探測工藝及流程為：確定探測區域→布置測點→挖坑埋杯→取杯測量→數據分析。

在地面由井上下對照選取測場基準點，基準點一般為3個，成垂直方向布置，然后在此區域進行測點布置，形狀為長方形、正方形或不規則方格網，在測量過程中根據實際測量情況進行調整延伸，每一測點預先編號。

3.3 探測區域及結果

2010年9月2日，根據馮家塔煤礦漏風檢測實際情況，確定了四塊高溫區域探測場，探測場均為矩形，其中I號區域位于1201采空區中開切眼區域，探測區域總長290 m，總寬60 m，共布置測點210個，面積17400 m2；Ⅱ號區域位于1401工作面開始發現CO氣體異常點位置附近，探測區域總長240 m，總寬80 m，共布置測點225個，面積19200 m2；Ⅲ號區域位于1201采空區右側邊界與1401回風巷道之間區域，探測區域總長160 m，總寬30 m，共布置測點36個，面積4800 m2；Ⅳ號區域位于1401開切眼附近，探測區域總長280 m，總寬30 m，共布置測點56個，面積8400 m2；以上四塊區域中I、Ⅱ區點距為10 m×10 m，Ⅲ、Ⅳ區點距為20 m×10 m，理論探測總面積49800 m2，理論布置測點共計527個。火源探測范圍及測點布置見圖2。

圖2 測點布置圖

將所測結果通過專用軟件包進行處理可得煤層隱蔽高溫區氡值異常值立體圖，見圖3。圖3中，突起越高說明氡值越大，即該位置對應區域溫度越高。根據煤礦實際情況經過分析處理，得到高溫異常區在井上下對照圖中的平面圖，見圖4。

由測量結果及分析結果可得出以下結論：

（1）位于1201工作面老空的I、Ⅲ區測氡值部分區域較高，說明此區域存在隱蔽高溫區；位于1401工作面的Ⅱ、Ⅳ區測氡值穩定且很小，說明此區域內無隱蔽高溫區。

（2）經實地考察，在測氡區域內煤體破碎、地表塌陷、斷裂嚴重、地表裂隙發達，經實地漏風檢測，發現裂隙為向內進風狀態，老空漏風嚴重；同時，在地壓作用下1201開切眼附近煤柱受壓破碎，在漏風供氧條件下，松散煤體氧化嚴重，存在隱蔽高溫區域。

（3）由測氡數值分析結果得出，此次測氡范圍內隱蔽高溫區域共7個，初步判定是由于開切眼及其老空區間煤柱破碎，在漏風供氧的影響下，松散煤體被氧化導致。

4 防治技術研究

通過采取測漏風及測氡工作初步判定了火區位于1201采空區開切眼附近，決定采用膠體防滅火技術通過打鉆對火區進行治理，鉆孔根據礦井現場實際情況布置。

（1）自1402運輸巷道采用打鉆鉆具向1201采空區高溫區域鉆孔，鉆孔必須打透2＃煤層采空區底板。注膠鉆孔位置平面圖見圖5，剖示圖見圖6。

圖5 注膠鉆孔位置平面圖

（2）自1202回風巷道采用打鉆鉆具向1201采空區鉆孔，鉆孔必須打到1201頂板上部1～3 m處。

（3）注膠形成膠體隔離帶，以提高堵漏及防滅火效果。

圖6 1402注膠鉆孔剖示圖

1201采空區開切眼位置附近存在異常高溫區域，注漿鉆孔主要在1402運輸巷道及1202回風巷道施工，截至2010年10月6日，共施工鉆孔17個，14個鉆孔打到設計位置，其中1402運輸巷道施工鉆孔10個，8個打到設計位置；1202回風巷道施工鉆孔7個，6個打到設計位置。1201切眼注漿打鉆設計圖見圖7。

圖7 1201切眼注漿打鉆設計圖

在鉆孔打通后，取其氣體進行色譜分析，若CO濃度較高，則說明此處有隱蔽高溫區，否則此處無隱蔽高溫區，此分析與測氡法火源探測的位置進行相互印證，最終確定準確的隱蔽高溫區。

自2010年9月12日開始，在1402運輸巷道鉆孔應用膠體防滅火技術，選擇ZMJ-15井下移動式灌漿注膠防滅火系統與地面灌漿系統相結合，通過鉆孔對火區灌注粉煤灰復合膠體，抑制并熄滅隱蔽高溫區。截至2010年10月13日，共灌注粉煤灰復合膠體約5500 m3。

5 治理效果分析

通過灌注粉煤灰復合膠體封堵漏風通道、包裹高溫煤體對火區進行了快速治理。開始灌注膠體后對火區進行了連續觀測，期間采空區煤自燃指標氣體CO濃度平穩下降，隨著注膠量的增加，CO濃度迅速減小，溫度隨之降低，為1401工作面順利開采消除了隱患。工作面上隅角CO氣體濃度變化見圖8。

由圖8可知，通過灌注粉煤灰復合膠體，1401工作面上隅角CO濃度持續波動下降，說明隱蔽高溫區得到了有效控制，高溫煤體已經被膠體包裹，達到了隔氧降溫的作用。截至2010年10月13日，1401工作面上隅角CO氣體濃度降至0.00001%以下，說明高溫煤體已得到完全控制，之后進一步向1201采空區高溫區域通過鉆孔灌注粉煤灰復合膠體并繼續觀測，至10月16日檢測到CO濃度下降至0且趨于穩定，可以確定高溫火區已熄滅，保證了1401工作面順利回采直至撤架。

圖8 1401工作面上隅角CO氣體濃度變化曲線圖

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Research and application of detection and prevention of hidden fire source in Fengjiata Coal Mine

Wen Hu1，2，Zhu Xingpan1，2，Jin Yongfei1，2，Liu Wenyong1，2
（1.College of Energy，Xi＇an University of Science and Technology，Xi＇an，Shannxi 710054，China；2.Key Laboratory of Western Mine and Hazard Prevention of the Ministry of Education，Xi＇an，Shannxi 710054，China）

Aimed at the law of coal spontaneous combustion，the mining characteristics of shallow thick coal seam and the difficulties and harms of hidden high-temperature zones at 1401 working face in Fengjiata Coal Mine，the high-temperature zones caused by the coal spontaneous combustion were determined via the air-leakage detection by SF6 tracer gas and the high-temperature site detection by isotope radon measuring，combined with the analysis of CO gas.The fire was extinguished by the injection of coal ash composite jel and the stoping was successfully carried out at 1401 working face until the supports were removed.

hidden fire source，detection of fire source，air-leakage measurement，fire prevention and extinguishment，Fengjiata Coal Mine

TD752

A

國家教育部新世紀優秀人才支持計劃（NCET-10-0932）；973計劃前期研究項目（2011CB411902）；國家自然科學基金 （51004081）；國家自然科學基金重點項目 （51134019）

文虎 （1972-），男，新疆石河子人，教授，博士后，現任西安科技大學能源學院安全工程系書記，主要從事煤自燃預測預報及礦井火災防治理論與技術的研究。

（責任編輯 張艷華）